基于神经网络模型与多岛遗传...空心电抗器隔音装置优化设计_袁发庭.pdf

第 49 卷 第 3 期：1213-1223 高电压技术 Vol.49,No.3:1213-1223 2023 年 3 月 31 日 High Voltage Engineering March 31,2023 DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20211961 2023 年 3 月 31 日第 49 卷 March 基于神经网络模型与多岛遗传算法的空心电抗器隔音装置优化设计 袁发庭1,2，姜 发1,2，刘健犇3，周 兵3，唐 波1,2，韩毅凛1,2（1.湖北省输电线路工程技术研究中心(三峡大学)，宜昌 443002；2.三峡大学电气与新能源学院，宜昌 443002；3.电网环境保护国家重点实验室，武汉 430074）摘 要：干式空心电抗器长期处于电磁热力等多物理场环境中，其噪音和温升问题一直是学者关注的热点问题。根据干式空心电抗器的设计参数，利用 COMSOL 有限元软件建立了 3 维电磁结构声场和流场温度场多物理场耦合仿真模型，获得了加和未加隔音装置下电抗器声场和温度场仿真结果。分析了电抗器声压级水平和温升分布特点，采用中心组合试验设计与有限元仿真相结合的方法，获得了在不同结构参数的隔音装置下电抗器声场和温度场仿真结果。在此基础上，构建了神经网络模型，该模型反映了电抗器测点声压级水平及最高温度与隔音装置结构参数间的响应关系，通过灵敏度分析技术获得结构参数对电抗器声压级水平和最高温度的影响程度。最后，基于多岛遗传优化算法，获得了最佳的隔音装置结构参数。优化结果表明：在最佳结构参数下，电抗器声压级水平和最高温度分别下降了 13.9 dB 和 26.3，该优化方法对电抗器隔音装置的参数优化具有重要的参考意义。关键词：干式空心电抗器；多物理场耦合仿真；神经网络模型；灵敏度分析；多岛遗传算法 Optimization Design of Sound-insulation Device of Air-core Reactor Based on Neural Network Model and Multi-island Genetic Algorithm YUAN Fating1,2,JIANG Fa1,2,LIU Jianben3,ZHOU Bing3,TANG Bo1,2,HAN Yilin1,2(1.Hubei Provincial Engineering Technology Research Center for Power Transmission Line(China Three Gorges University),Yichang 443002,China;2.College of Electrical and New Energy,China Three Gorges University,Yichang 443002,China;3.State Key Laboratory of Power Grid Environmental Protection,Wuhan 430074,China)1 Abstract：The challenges of noise and temperature rise of air-core reactor have always been the hot issues concerned by scholars on account of its long-term exposure to electromagnetic-thermal-force multi-physics fields.In this paper,a simu-lation model of three-dimensional electromagnetic-structure-sound and fluid-temperature fields is established on COMSOL according to design parameters of reactor,and the results of sound and temperature fields with and without sound-insulation device are obtained.At first,the sound pressure level and temperature rise distribution characteristics are analyzed,and by combining the central composite design and finite simulation results,the results of sound and tempera-ture fields are acquired with different parameters of sound-insulation device.Then,a neural network model is established,which constructs a correlation between the sound pressure level and the hot temperature of the reactor with sound insula-tion device.Subsequently,the sensitivity analysis technique is accustomed to derive the influence of the structure parameters on the sound pressure level and the hot temperature.Finally,the multi-island genetic algorithm is applied to obtain the optimal parameters of sound insulation device.The optimization results show that the sound pressure level and the hot temperature of the reactor are decreased by 13.9 dB and 26.3,respectively,under the optimal parameters.Thus,the optimization method has important reference significance for the parameter optimization of sound-insulation device.Key words：dry-type air-core reactor;multi-physics fields coupling simulation;neural network model;sensitivity analysis;multi-island genetic algorithm 基金资助项目：电网环境保护国家重点实验室开放基金(GYW51202101368)。Project supported by Open Fund of State Key Laboratory of Power Grid Environmental Protection(GYW51202101368).1214 高电压技术 2023,49(3)0 引言 空心电抗器作为电力系统中重要的设备，起到限制电网短路电流、滤除高次谐波等作用1。然而，在换流站实际运行中，空心电抗器是声污染产生的根源。目前工程上降噪的主要措施为在电抗器周围加装隔音装置2，然而加装隔音装置不可避免地抑制了电抗器与周围流体的对流换热，显著降低电抗器包封线圈的散热能力。因此，为同时降低噪音和提高包封线圈散热能力，开展电抗器隔音装置的优化研究显得至关重要。在电抗器温度场方面，相关学者主要从电抗器的损耗和温升计算等方面开展研究。文献3-4介绍了干式空心电抗器的平均温升计算方法，该方法精度较低，且不能反映电抗器的热点温升。文献5基于场路耦合计算电抗器损耗，并结合传热学基本原理，计算得到了电抗器温度分布。在此基础上，文献6基于场路耦合的包封损耗计算结果，采用有限元法计算干式空心电抗器的流场和温度场，并对通风结构参数进行优化。文献7建立干式空心电抗器2 维模型，采用流场温度场耦合方法，获得了电抗器包封线圈的流场和温度场分布，该方法未考虑星型架对电抗器热点温升的影响。文献8建立了考虑撑条和星型架的电抗器 3 维模型，采用有限容积法获得电抗器的温度分布特性，研究了包封轴向和径向温度分布规律，实验值与仿真值一致性较好。在电抗器声场方面，国内外学者主要的研究热点有：电抗器振动与噪音计算、噪音测量、降噪措施等。文献9-10基于电磁结构耦合方式，指出干式空心电抗器包封线圈在电磁力作用下进行受迫振动是产生噪音的主要根源。文献11-12对干式空心电抗器可听噪音进行研究，提出电抗器辐射噪音计算方法，并测量换流站电气设备的可听噪音水平，验证了计算方法的正确性。文献13总结干式空心电抗器的可听噪音频谱特性，并提出一定的降噪措施。文献14建立干式空心电抗器2维轴仿真模型，探究了其在150 Hz 下噪音的产生和衰减规律，并通过正交试验法获得最佳隔音装置参数，从而降低了噪音，但2 维轴对称模型与3 维模型存在一定偏差，星型架对振动与噪音影响较大，该方法具有一定的误差。因此，上述各方法仅能实现局部优化，具有一定的局限性。在电抗器隔音装置优化方面，文献15总结了干式空心电抗器的可听噪音频谱特性，并提出采用隔声板来降低噪音。文献16利用共振吸声原理，将干式空心电抗器的隔音罩内加装穿孔板改善隔声效果。文献17在考虑隔音罩在降噪和散热相互制约的基础上，研究了隔音罩结构形状参数对热点温升影响，并对其进行优化。上述方法在一定程度上降低了噪音和温升，但未能同时考虑隔音装置对电抗器抑噪和散热性能的影响，具有一定的局限性。本文根据干式空心电抗器的设计参数，利用COMSOL 有限元软件建立了 3 维电磁结构声场和流场温度场耦合仿真模型，分析加和未加隔音装置下电抗器声场和温度场分布特点。通过采用中心组合试验设计与有限元仿真相结合的方法，获得了在不同结构参数的隔音装置下电抗器声场和温度场仿真结果。在此基础上，构建电抗器测点声压级水平和最高温度与隔音装置结构参数间的神经网络模型，然后通过灵敏度分析技术获得结构参数对电抗器声压级和最高温度影响程度。最后，基于多岛遗传优化算法，获得了最佳的隔音装置结构参数。结果表明优化方法能够兼顾降低噪音和温升的效果。1 干式空心电抗器基本结构及等效模型 1.1 基本结构及参数 本文研究对象为干式空心电抗器，采用自然风冷进行散热，基本结构如图 1 所示。其中，干式空心电抗器的电气参数为：额定电压为 220 kV，电流1650 A，电感为 10 mH。图 1 中，x1、x5分别为隔音装置上下端中心孔半径，x2为倾角高度，x3为包封最右端到隔音装置距离，x4为星型架底端距隔音装置底端距离，H 为隔音装置本身高度；Rin、Rout分别为包封线圈的内半径和外半径，w1、h1分别为包封线圈宽度和高度；l1、w2分别为星型架长度和宽度；d 为包封线圈气道宽度；112 为包封线圈编号。干式空心电抗器由多个同轴并联包封线圈组成，相邻包封间采用气道隔开。各包封是由一定匝数及层数的导线在轴向方向相互并联堆叠而成。包封线圈的导线采用铝导线制成。电抗器包封线圈顶部和底部安装星型架，沿圆周呈 45排列，起到电流分配和加固作用。撑条是由热塑聚酯弹性体挤压成型，起到包封间的机械支撑作用。电抗器在最外包封线圈周围安装隔音装置，呈圆筒结构，上部和下部中心开孔，用于通流。隔音装置为热塑性聚酯材料。电抗器主要结构参数如表 1 所示。袁发庭，姜 发，刘健犇，等：基于神经网络模型与多